高孔隙水壓地層基坑降水開挖施工技術

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關鍵詞:基坑開挖，降水施工，變形特征，圍護結(jié)構(gòu)

1概述

隨著中國城市化的發(fā)展，土地矛盾越來越顯著，地下空間工程能有效地解決城市用地問題［1］。高層建筑、軌道交通等城市基礎設施的修建使得基坑工程普遍存在，尤其對于富水地層，基坑工程的修建將不可避免的遇到承壓水，施工過程中存在的高孔隙水壓將直接影響基坑本身結(jié)構(gòu)的安全［2］。在富水環(huán)境下基坑降水施工可能存在周圍土體沉降、圍護結(jié)構(gòu)變形以及土層滲透性破壞等方面的問題是基坑施工的主要難點［3］。針對于此，諸多學者展開研究。周勇等［4］采用現(xiàn)場監(jiān)測以及數(shù)值模擬的方式針對蘭州市某地鐵站車站的深基坑工程進行研究，分析其開挖引起的變形特征。陳忠等［5］考慮承壓水的降水研究基坑變形規(guī)律。沈仁寶等［6］采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡進行基坑變形的預測。李少波等［7］結(jié)合統(tǒng)計方法與數(shù)據(jù)挖掘算法研究廈門地鐵基坑變形特征。上述研究缺乏針對高孔隙水壓地層基坑工程施工的分析，降水過程對于基坑土體變形以及支護結(jié)構(gòu)內(nèi)力的影響十分顯著。本文以某高孔隙水壓地層的深基坑工程為依托，采用有限元軟件對深基坑的施工降水和開挖過程進行模擬，建立考慮地應力、滲流場耦合作用的地層—圍護結(jié)構(gòu)—水的基坑施工模型。深入研究基坑降水施工對圍護結(jié)構(gòu)以及基坑土體的影響。

2工程概況

某基坑工程所在地區(qū)由第四系填土、淤泥粉質(zhì)粘砂類等組成，推薦承載力80kPa～300kPa，極限摩阻力40kPa～90kPa。位于Ⅷ地震區(qū)，場土類別為Ⅳ砂在力作用下嚴重液化。該基坑工程尺寸為34．8m×19．2m×7．95m。該基坑工程選用27mSP27mSP-Ⅳ型鋼板樁。鋼板樁施工結(jié)束后進行基坑開挖，分層鋼板樁施工結(jié)束后進行基坑開挖，分層開挖至腰梁標高下0．5m搭設腰梁和內(nèi)撐后繼續(xù)開挖。鋼板樁埋深14．2m。圖1給出了基坑所處位置的地質(zhì)剖面與基坑工程的圍護結(jié)構(gòu)設計。

3數(shù)值模擬分析

3．1模型概況

采用MIDASGTS-NX有限元軟件建立基坑降水施工三維模型，現(xiàn)將模型尺寸定為150m×80m×50m的三維實體，地層從上至下分別為淤泥、上層粉質(zhì)粘土、下層粉質(zhì)粘土，層厚分別為12．5m，2．5m，24m。各層土的物理力學參數(shù)如表1所示。根據(jù)施工圖紙建立有限元模型如圖2所示，給出了網(wǎng)格劃分以及內(nèi)支撐細部。本模型采用添加水頭邊界的方式模擬降水過程，采用MIDAS軟件中的應力—滲流分析模塊進行建模。土體采用三維實體單元模擬，圍堰采用2D板單元模擬，圍檁、內(nèi)支撐及抗拔樁均采用1D梁單元進行模擬。其施工步驟主要總結(jié)如下:1)進行圍堰施作;2)進行開挖施工;3)進行圍檁以及內(nèi)支撐的施工;4)通過激活節(jié)點水頭進行降水分析;5)開挖至基坑底部時進行抗拔樁的施工，并澆筑封底混凝土。3．2結(jié)果分析通過上節(jié)中建立的基坑有限元模型，從基坑土體變形以及坑內(nèi)支撐的受力兩個方面研究高孔隙水壓系下基坑降水施工的影響。

3．2．1變形分析選取支撐結(jié)構(gòu)施工作為典型施工步，圖3給出了出現(xiàn)最大沉降和隆起變形的施工步對應豎向位移云圖。從圖3中可以看出:變形較大的位置主要出現(xiàn)在支撐結(jié)構(gòu)部分，隨基坑開挖，變形逐漸增大。基坑的最大沉降變形為10．8mm，出現(xiàn)的最大沉降變形為第三道支撐施工。最大隆起變形為0．81mm，對應的施工步為第四道內(nèi)支撐施工。綜合上述:圍堰及基坑內(nèi)支撐的豎向位移和水平位移均為合理值，圍堰的最大沉降值為10．8mm，小于圍堰結(jié)構(gòu)位移控制標準值20mm。最大隆起值較小為0．81mm。

3．2．2內(nèi)力分析施工過程中圍堰結(jié)構(gòu)的最大主應力云圖如圖4所示。從圖4中可以看出:最大壓應力出現(xiàn)在圍堰底部，約為4．875MPa，最大拉應力主要分布在圍堰上部，約為0．407MPa。Q235鋼的抗拉強度設計值為215MPa，大于圍堰結(jié)構(gòu)最大拉應力，因此，圍堰結(jié)構(gòu)不會發(fā)生破壞，且施工過程中最大拉應力變化極小，此處影響忽略不計。除研究圍堰結(jié)構(gòu)的受力外，針對內(nèi)支撐以及抗拔樁等1D樁單元也需進行內(nèi)力分析。圖5給出了結(jié)構(gòu)施工完成后內(nèi)支撐的內(nèi)力云圖，從圖5中可以看出:最大彎矩為39．73kN•m，分布在內(nèi)支撐中部區(qū)域。最大軸力為37．48kN，分布在內(nèi)支撐中部區(qū)域。最大剪力為27．5kN，分布在圍檁中部區(qū)域。

4結(jié)語

本文通過有限元軟件對深基坑的施工降水和開挖過程進行模擬，建立考慮地應力、滲流場耦合作用的地層—圍護結(jié)構(gòu)—水的基坑施工模型，詳細研究了降水以及開挖對基坑土體變形以及內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)受力的影響。主要結(jié)論如下:1)該基坑的變形以及圍護結(jié)構(gòu)的內(nèi)力均在可控范圍內(nèi)，結(jié)構(gòu)整體安全，表明現(xiàn)有的圍護結(jié)構(gòu)設計方案能滿足基坑穩(wěn)定性要求。2)位移及內(nèi)力最大的區(qū)域基本位于內(nèi)支撐上，這表明內(nèi)支撐對基坑的變形有較明顯的控制作用。3)降水施工造成的內(nèi)外水位高差對圍堰結(jié)構(gòu)有明顯的影響，具體表現(xiàn)為水平位移及內(nèi)力呈增大的趨勢。4)為保證高孔隙水壓下基坑的安全施工，需針對圍檁及內(nèi)支撐、鋼板樁、基坑內(nèi)外土體等關鍵節(jié)點進行變形監(jiān)測，實時反饋基坑工程的安全狀態(tài)。

參考文獻:

［1］周建，蔡露，羅凌暉，等．各向異性軟土基坑抗隆起穩(wěn)定極限平衡分析［J］．巖土力學，2019，40(12):4848-4856．

［2］劉勝利，蔣盛鋼，曹成勇．強透水砂卵地層深基坑地下水控制方案比選與優(yōu)化設計［J］．鐵道科學與工程學報，2018，15(12):3189-3197．

［3］林海．深基坑施工難點及技術安全控制分析［J］．建筑安全，2020，35(3):58-61．

［4］周勇，葉煒鈉，高升．蘭州地鐵某車站深基坑開挖變形特性分析［J］．巖土工程學報，2018(S1):141-146．

［5］陳忠，錢寶源，顧其波．考慮承壓水降水的深基坑施工變形規(guī)律研究［J］．寧波大學學報(理工版)，2019(5):51-53．

［6］沈仁寶．基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡的膨脹土地區(qū)深基坑變形預測［J］．建筑安全，2019，34(4):45-49．

［7］李少波．廈門地區(qū)地鐵深基坑變形特征實測統(tǒng)計分析［J］．地下空間與工程學報，2019，15(S1):376-384．

作者：程學昌 單位：廣州地鐵集團有限公司